Baterias de fluxo de vanádio explicadas: uma mudança radical no armazenamento de energia renovável

Recentemente, o projeto de bateria de fluxo de vanádio da Horizon Power para Kununurra tem sido tendência na internet. Mas por que os projetos de bateria de fluxo de vanádio estão se tornando cada vez mais prevalentes? Para entender isso, devemos começar aprendendo mais sobre baterias de fluxo de vanádio:

Bateria de fluxo de vanádio: uma nova era no armazenamento de energia

Uma Vanadium Flow Battery (VFB) é um tipo de bateria em que tanto o eletrodo positivo quanto o negativo usam soluções de vanádio circulantes como meio de armazenamento de energia. Por meio do processo de carga e descarga, a bateria permite a conversão entre energia elétrica e energia química, armazenando e liberando energia.

A estrutura de uma bateria de fluxo de vanádio é diferente das baterias convencionais de íons de lítio e baterias de chumbo-carbono. Ela consiste nos seguintes componentes principais: uma pilha (ou célula individual), um tanque de eletrólito positivo (armazenando o eletrólito positivo), um tanque de eletrólito negativo (armazenando o eletrólito negativo), uma bomba de circulação e um sistema de gerenciamento. A pilha é composta de várias células individuais conectadas em série, cada uma incluindo o eletrodo positivo, o eletrodo negativo, o separador e as placas bipolares. Várias pilhas de baterias de fluxo de vanádio formam um módulo de armazenamento de energia, e vários módulos juntos constituem um sistema ou estação de armazenamento de energia completo.

Princípio de armazenamento de energia em baterias de fluxo de vanádio

Os íons de vanádio existem em quatro estados de valência diferentes. O material de armazenamento de energia ativa nos eletrólitos positivos e negativos de uma Vanadium Flow Battery são os íons de vanádio. O processo de carga e descarga é baseado nas mudanças nos estados de valência dos íons de vanádio nos eletrólitos positivos e negativos, alcançando o armazenamento e a liberação de energia.

1. Durante o carregamento:No eletrólito positivo, os íons de vanádio no estado de valência +4 são oxidados para o estado +5, perdendo um elétron e gerando dois íons de hidrogênio. No eletrólito negativo, os íons de vanádio no estado de valência +3 ganham um elétron e são reduzidos para o estado +2, consumindo um íon de hidrogênio.

2. Durante a descarga:No eletrólito positivo, os íons de vanádio no estado de valência +5 são reduzidos ao estado +4, ganhando um elétron e consumindo dois íons de hidrogênio. No eletrólito negativo, os íons de vanádio no estado +2 são oxidados ao estado +3, liberando um íon de hidrogênio.

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O processo acima mostra que durante o carregamento, os íons de hidrogênio migram do lado positivo para o negativo, enquanto durante a descarga, o processo é revertido. A reação eletroquímica dentro da bateria se manifesta como a migração de íons de hidrogênio, que gera uma corrente elétrica no circuito externo.

Reações de eletrodos de baterias de fluxo de vanádio:

• Eletrodo Positivo: ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{E}}_2\text{O}-e^{-}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+2{\text{E}}^{+}$, $E_0=1.004V$

• Eletrodo Negativo: ${\text{V}}^{3+}+e^{-}\rightleftharpoons {\text{V}}^{2+}$, $E_0=-\mathrm{0,255}V$

• Reação geral: ${\text{VO}}_2^{+}+{\text{V}}^{3+}+{\text{E}}_2\text{O}\rightleftharpoons {\text{VO}}_2^{+}+{\text{V}}^{2+}+2{\text{E}}^{+}$, $E_0=1.259V$

Devido à sua alta segurança, capacidade de armazenamento de energia em larga escala, longa vida útil do ciclo de carga e descarga, eletrólito reciclável, custo-efetividade ao longo de seu ciclo de vida e respeito ao meio ambiente, as baterias de fluxo de vanádio (VFBs) ganharam crescente atenção global nos últimos anos. Pesquisa, desenvolvimento e aplicações de engenharia de sistemas de armazenamento de energia VFB fizeram progresso significativo, com rápido desenvolvimento, melhoria da tecnologia, redução de custos e entrada no estágio de industrialização e aplicação generalizada, apresentando enorme potencial de mercado.

2. Características técnicas das baterias de fluxo de vanádio

Vantagens técnicas

①Segurança intrínseca e respeito ao meio ambiente

Os sistemas de armazenamento de energia de bateria de fluxo de vanádio são intrinsecamente seguros e confiáveis ​​em operação, com um ciclo de vida ecologicamente correto. O eletrólito em baterias de fluxo de vanádio consiste em uma solução aquosa de íons de vanádio em ácido sulfúrico diluído. Desde que a tensão de corte de carga e descarga seja controlada adequadamente e o sistema de bateria seja armazenado em um espaço bem ventilado, ele é inerentemente seguro, sem risco de incêndio ou explosão. O eletrólito é circulado dentro de um espaço selado e normalmente não produz poluentes ambientais durante o uso, nem é contaminado por impurezas externas.

Além disso, tanto os eletrólitos positivos quanto os negativos na bateria de fluxo de vanádio usam íons de vanádio, o que previne a degradação irreversível da capacidade da mistura dos eletrólitos positivos e negativos. Ao longo de anos de operação, a degradação da capacidade causada por pequenas reações colaterais e a leve mistura cumulativa dos eletrólitos positivos e negativos pode ser regenerada e reutilizada por meio da regeneração online ou offline.

A pilha e o sistema são compostos principalmente de materiais de carbono, plásticos e metais. Quando um sistema de bateria de fluxo de vanádio é desativado, os materiais metálicos podem ser reciclados, e os materiais de carbono e plásticos podem ser usados ​​como combustível. Portanto, todo o ciclo de vida de um sistema de bateria de fluxo de vanádio é seguro, tem uma carga ambiental mínima e é muito ecológico.

②Potência de saída independente e capacidade de energia

A potência de saída e a capacidade energética dos sistemas de armazenamento de energia de baterias de fluxo de vanádio são independentes entre si, com design e instalação flexíveis, tornando-os adequados para armazenamento de energia em larga escala, alta capacidade e longa duração.

Conforme mostrado na Figura 1, a potência de saída de um sistema de bateria de fluxo de vanádio é determinada pelo tamanho e número de pilhas de bateria, enquanto a capacidade de energia é determinada pelo volume do eletrólito. Para aumentar a potência de saída, a área do eletrodo da pilha de bateria pode ser aumentada ou o número de pilhas pode ser aumentado. Para aumentar a capacidade de energia, o volume do eletrólito pode ser aumentado. Isso torna as baterias de fluxo de vanádio particularmente adequadas para aplicações que exigem armazenamento de energia de larga escala, alta capacidade e longa duração. A potência de saída dos sistemas de bateria de fluxo de vanádio normalmente varia de centenas de watts a centenas de megawatts, e a capacidade de energia varia de centenas de quilowatts-hora a centenas de megawatts-hora.

③Alta eficiência de conversão de energia, inicialização rápida, sem mudança de fase

A eficiência de conversão de energia é alta, e a transição entre os estados de carga e descarga é rápida. A bateria de fluxo de vanádio opera em temperatura ambiente, com a solução de eletrólito circulando entre os tanques de eletrólito e a pilha de baterias. Durante os processos de carga e descarga, o armazenamento e a liberação de energia ocorrem por meio de mudanças no estado de valência dos íons de vanádio dissolvidos na solução aquosa, sem nenhuma mudança de fase.

Assim, a transição entre os estados de carga e descarga é rápida, com o sistema de armazenamento de energia em armazenamento de energia em escala de megawatts capaz de alternar de 80% de carga para 80% de descarga em menos de 100 milissegundos, determinado principalmente pela velocidade de transmissão dos sinais de controle. Isso permite que as baterias de fluxo de vanádio sejam usadas para modulação de amplitude e modulação de frequência, integração de rede de energia renovável, serviços auxiliares, redução de pico para a rede elétrica e armazenamento de energia de backup de emergência.

④O design modular facilita a integração e o dimensionamento do sistema

A pilha de bateria de fluxo de vanádio é montada a partir de múltiplas células únicas empilhadas de forma prensa-filtro. Atualmente, a potência nominal de saída de uma pilha de célula única industrializada é geralmente entre 30 e 80 kW. O sistema de armazenamento de energia normalmente consiste em múltiplas unidades modulares, cada uma com uma potência nominal de saída de cerca de 500 kW. Comparadas a outras baterias, as pilhas de bateria de fluxo de vanádio e os módulos do sistema de armazenamento de energia têm grande potência nominal de saída, boa uniformidade e são mais fáceis de integrar e aumentar.

2. Limitações das baterias de fluxo de vanádio

①Complexidade do sistema

O sistema de armazenamento de energia é composto de múltiplos subsistemas, o que o torna complexo.

②Equipamento de suporte energético

Para garantir uma operação estável contínua, o sistema de armazenamento de energia requer equipamentos adicionais, como bombas de circulação de eletrólitos, dispositivos de controle eletrônico, sistemas de ventilação e sistemas de controle de temperatura de eletrólitos, que por sua vez precisam ser alimentados. Como resultado, os sistemas de bateria de fluxo de vanádio geralmente não são adequados para sistemas de armazenamento de energia de pequena escala.

③Menor densidade energética

Devido às limitações da solubilidade do íon vanádio e outros fatores, as baterias de fluxo de vanádio têm menor densidade de energia. Elas são mais adequadas para estações fixas de armazenamento de energia onde o volume e o peso não são restrições significativas, mas não são adequadas para uso como fontes de energia móveis ou para baterias dinâmicas.

3. Análise do custo do ciclo de vida de baterias de fluxo de vanádio

O diagrama a seguir ilustra os custos estimados do ciclo de vida dos sistemas de armazenamento de energia de baterias de fluxo de vanádio com durações de armazenamento de 4 e 10 horas.

① Estimativa de custo real do sistema de armazenamento de energia de bateria de fluxo de vanádio de 1 MW/10 MWh:

② Estimativa de custo real do sistema de armazenamento de energia de bateria de fluxo de vanádio de 1 MW/10 MWh:

Portanto, para sistemas de armazenamento de energia de baterias de fluxo de vanádio, quanto maior a duração do armazenamento de energia, menor o custo geral do ciclo de vida.

4. Composição da cadeia industrial

A cadeia da indústria de baterias de fluxo de vanádio inclui materiais upstream, fabricação de baterias, design de módulos e integração de sistemas. A bateria de fluxo líquido convencional atualmente sendo pesquisada é a bateria de fluxo de vanádio. Suas matérias-primas upstream incluem principalmentepentóxido de vanádio (V2O5)emembranas de ácido perfluorossulfônico. O midstream envolve o projeto e a fabricação de sistemas de armazenamento de baterias de fluxo de vanádio, que consistem em componentes comoinversores,controladores inteligentes,pilhas de combustível,membranas,eletrólito, etanques de armazenamento. Entre estes, os componentes mais críticos são ospilha de combustíveleeletrólito. As aplicações posteriores incluem geração de energia eólica, geração de energia fotovoltaica, redução de picos de energia na rede e muito mais.

Minério de Vanádio e Processamento de Vanádio

Vanádio é um elemento litófilo, tipicamente encontrado em um estado disperso em minérios. Suas características de distribuição natural são grandes reservas, distribuição ampla e baixo conteúdo.Magnetita de vanádio-titânioé o minério mais comum que contém vanádio. Este mineral é encontrado globalmente e é atualmente a principal fonte de vanádio, respondendo por mais de85% da produção anual global de vanádio.